DE4037479C2 - Phthalocyanin-Sensor zum Zwecke des Nachweises von Stickoxyden in der Luft - Google Patents
Phthalocyanin-Sensor zum Zwecke des Nachweises von Stickoxyden in der LuftInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Phthalocyanin-Sensor
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der EP 0 354 486 A3 ist es bekannt, mit Hilfe von Phtha
locyanin-Schichten, die auf einem beheizten Träger aufge
bracht sind, Stickoxyde bzw. Stickstoffdioxyde zu erfassen.
Auch in der DE 38 36 819 A1 werden auf der Basis von Me
tallphthalocyanin arbeitende Gassensoren bzw. Gasfühler be
schrieben. Hierbei wird das Phthalocyanin in Form einer einem
Meßgas aussetzbaren Schicht auf einem Substrat aufgebracht.
Die elektrische Leitfähigkeit bzw. der elektrische Widerstand
dieser Phthalocyanin-Schicht wird durch geeignete Meßeinhei
ten gemessen. Die Phthalocyanin-Schicht ist so ausgebildet,
daß sie ununterbrochen und überweigend kristallin ist. Die
Ansprechzeit und die Erholzeit eines derart ausgestatteten
Gasfühlers, der durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit
bzw. des elektrischen Widerstandes der z. B. aus Bleiphtha
locyanin zusammengesetzten Phthalocyanin-Schicht arbeitet,
wird durch Glühen des Phthalocyanins bei 340 Grad C über 20
Minuten zu dessen Kristallierung zum β-Polymorph verbessert.
Es ist eine Eigenart dieser Sensoren, daß sich beim Vorhan
densein von z. B. NO2 dieses an der Oberfläche des Phthalocya
nins anlagert, wobei sich die elektrische Leitfähigkeit der
Phthalocyanin-Schicht verändert.
Um den Phthalocyanin-Sensor zu betreiben, hat sich eine Ar
beitstemperatur zwischen 70 und 100 Grad C als vorteilhaft
erwiesen. Wird der Phthalocyanin-Sensor mit z. B. NO2 beauf
schlagt, verringert sich der Widerstand und bleibt normaler
weise auf diesem Niveau, bis er durch Ausheizen mit einer
Temperatur von z. B. 150 Grad C wieder in den ursprünglichen
Zustand versetzt wird.
In Fig. 1 ist dies deutlich gemacht. Die x-Achse zeigt den
Sensorwiderstand, der im unbelasteten Zustand sehr hochohmig
ist. Auf der y-Achse ist die Zeit aufgetragen. Im unbelaste
ten Zustand hat der Phthalocyanin-Sensor einen Anfangsfehler
stand 1. Auch bei kleinen Konzentrationen von z. B. NO2 wird
jedoch eine langsame Absenkung des Sensorwiderstandes beob
achtet, was durch Anlagerung (Adsorption) von NO2 an der
Oberfläche des Phthalocyanin-Sensors hervorgerufen wird. Es
entsteht daher eine Kurve 2. Unterschreitet der Sensorwider
stand ein bestimmtes Maß 3, sollte die Meßphase 11 durch eine
Aufheizphase 12 unterbrochen werden, in der der Sensorwider
stand seinen ursprünglichen Wert 1 wieder erreicht.
Es ist bekannt, periodisch, also in bestimmten Zeitabständen,
die Meßphase 11 mit einer Aufheizphase 12 abwechseln zu las
sen.
Diese Betriebsweise hat den Nachteil, daß die Aufheizphase,
in der natürlich nicht gemessen werden kann, möglicherweise
zeitgleich mit einem an sich zu registrierenden NO2-Impuls
zusammenfällt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zur Verfügung
stehende Meßzeit optimal zu nutzen.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 wird
diese Aufgabe dadurch gelöst, indem die Aufheizphase je nach
Belastung gesteuert wird.
In anderen Anwendungen ist es dagegen erforderlich, daß stets
gemessen werden kann. In diesen Fällen werden mindestens zwei
Phthalocyanin-Sensoren eingesetzt, wobei durch elektronische
Umschaltung jeweils ein Meßsensor arbeitet, während der ande
re aufgeheizt wird. Die Umschaltpunkte ergeben sich also aus
den Einschaltpunkten der Heizung. Eine praktische Ausführung
zeigt Fig. 3.
Eine zentrale Steuer- und Auswerteeinheit 13 wird in der Re
gel durch einen Mikrocontroller dargestellt. Der Schichtwi
derstand des Phthalocyanin-Films bildet einen Spannungsteiler
mit einem Außenwiderstand 15 oder einer Konstantstromquelle,
wobei die elektrische Leitung 16 eine Spannung über einen
Analog-Digital-Wandler zum Mikroprozessor gibt, die dem Sen
sorwiderstand entspricht.
Die Sensorheizung 17 wird über einen Heizungsregler 18 ge
speist, der durch den Mikroprozessor 13 kontrolliert wird.
Der Sensor 14 enthält einen Thermo-Widerstand 20, dessen Wer
te über einen Analog-Digital-Wandler 19 zum Mikroprozessor 13
weitergeleitet werden. Eine identische Konfiguration 21 ist
schematisch dargestellt. Mit Hilfe dieser Anordnung werden
die Sensorsignale gelesen und wird die Heiztemperatur in der
Meßphase auf einem stabilen Niveau gehalten, bzw. wird die
Ausheizphase auf einem ebenfalls stabilisierten und geregel
tem Temperaturniveau betrieben.
Im Gegensatz zu anderen Sensortypen gibt der Sensorwiderstand
bei Phthalocyanin-NOx-Sensoren nicht unbedingt Aufschluß über
die momentan vorliegende Konzentration, weil der zeitliche
Abstand zur letzten Ausheizphase bzw. die Beeinflussung durch
vorhandenes NOx den Sensorwiderstand erheblich Verschieben
kann.
Um Rückschlüsse auf die tatsächlich vorhandene Konzentration
zulassen zu können empfiehlt es sich, den Änderungsbetrag des
Sensorwiderstandes über die Zeit als Größe herauszuziehen.
Wie vorstehend erwähnt, wird in der praktischen Betriebssi
tuation aufgrund der fast immer vorhandenen geringen NOx-
Konzentrationen ein kontinuierlicher Abfall des Sensorwider
standes zu beobachten sein, wobei die Abfallzeit abhängig ist
von den Exemplarstreuungen des Phthalocyanin-Sensors und von
der zufällig vorhandenen NOx-Konzentration. Während der An
fangswiderstand des Sensors 1 natürlich festliegt, wird ein
niedrigerer Sensorwiderstand 3 definiert. Dieser Widerstand
wird so gewählt, daß er in ausreichendem Abstand zur absolu
ten Sättigung der Sensoroberfläche liegt. Es hat sich ge
zeigt, daß es vorteilhaft ist, nicht die vollständige Sätti
gung des Sensors 1 abzuwarten, weil eine frühere Aufheizung
die Abreinigungszeit verkürzt.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sinkt der Sensorwiderstand 2 von
seinem Ausgangswert 1 bis zum Erreichen des unteren Grenzwer
tes 3. Durch Ausheizen wird im weiteren Verlauf der Ausgangs
wert wieder erreicht.
In diesem Falle wird die Meßperiode 11 beendet durch Errei
chen des unteren Grenzwertes.
In Fig. 1 ist im weiteren Verlauf der Kurve 2 gezeigt, wie
sich Gasbelastungen 4, 5, 6 auf den Sensorwiderstand auswir
ken. Es kommt zu einer treppenartigen Ausformung der Kurve.
Es hat sich als sinnvoll erwiesen, die Abreinigung hier er
heblich früher einsetzen zu lassen. Ein praktischer Vorschlag
ist, die Abreinigung entweder bei einem bestimmten Wider
standssprung über eine bestimmte Zeit, z. B. in Fig. 1 bei
der Gasbelastung 4 oder aber nach einem solchen Sprung, wenn
eine weitere Grenze dabei unterschritten worden ist, siehe in
Fig. 1 die Gasbelastung 5.
Da in zahlreichen Anwendungen beim Auftreten eines NOx-
Impulses ohnehin ein Schaltimpuls ausgelöst wird, wenn der
NOx-Impuls eine bestimmte Größe aufweist, würde in einem sol
chen Fall die Aufheizzeit - in der nicht gemessen werden kann
- für den Betrieb mancher Gerätschaften nicht so wesentlich
sein. In diesem Fall würde durch die vorstehend beschriebene
Methode durchaus ein einziger Sensor genügen.
Fig. 2 zeigt die prinzipielle Darstellung dieser Überlegung.
Die Kurve 7 zeigt in Abwesenheit von NOx eine zeitliche Ab
nahme durch Desorption von NOx, die von der Temperatur und
dem momentanen Leitwert abhängt. Der momentane Leitwert wird
durch die Menge des bis dahin adsorbierten NOx festgelegt.
Die zeitliche Abnahme verringert sich oder wird sogar zur Zu
nahme, beides durch weitere Adsorption, wenn NOx anwesend
ist. Zur Auswertung wird eine Tabelle benötigt, die zu jedem
Leitwert der Schicht die Abnahme des Leitwertes in Abwesen
heit von NOx angibt.
Die Kurven 8, 9 und 10 haben eine unterschiedliche Steigung,
d. h. der Änderungsbetrag des Sensorwiderstandes über die Zeit
ist unterschiedlich und kann jeweils einer spezifischen Gas
konzentration zugeordnet werden.
Daraus folgt, daß zur Bestimmung der absoluten Pegel weniger
der erreichte Sensorwiderstand herangezogen wird als vielmehr
der Änderungsbetrag über die Zeit.
Insofern wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, von einer zen
tralen Steuer- und Auswerteeinheit 13 kontinuierlich - in der
bevorzugten Ausführung etwa 2-10 mal pro Sekunde - den Sen
sorwiderstand zu bestimmen und aus den Änderungsbeträgen über
die Zeit mit Hilfe einer Rechenoperation auf die Konzentra
tion zu schließen.
Die Auswerte- und Steuereinheit enthält im Programm Informa
tionen, die die spezifische Reaktionsgeschwindigkeit des Sen
sors gegenüber spezifischen Gaskonzentrationen beschreibt.
Claims (2)
1. Phthalocyanin-Sensor zum Zwecke des Nachweises von
Stickoxyden (NOx) in der Luft, wobei die Phthalocyanin-
Schicht in der Meßphase auf einer für die Meßaufgabe opti
mierten Temperatur betrieben wird und zyklisch durch zeitwei
lige Erhöhung der Temperatur abgereinigt wird, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Meßphase (11) durch die Ausheizphase
(12) stets dann abgelöst wird, wenn der Sensorwiderstand (2)
einen vorgegebenen Wert (3) unterschreitet oder während der
Meßphase der Sensorwiderstand eine Veränderung über die Zeit
(4) erfährt, wenn diese Veränderung einen vorgegebenen Betrag
überschreitet.
2. Phthalocyanin-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der Änderungsbetrag des Phthalocyanin-Widerstandes
über die Zeit als Maß für die NOx-Konzentration herangezogen
wird, wobei durch eine elektronische Auswerte- und Steuerein
heit (13) der Sensorwiderstand (14) periodisch bestimmt wird
und Änderungen im Meßzeitraum mit abgespeicherten Werten ver
glichen werden, welche den Änderungsbetrag als Funktion der
Gaskonzentration über die Zeit beschreiben.
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1990
- 1990-11-24 DE DE4037479A patent/DE4037479C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE4037479A1 (de) | 1992-05-27 |
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